電池容量計的一種實現(xiàn)方法

大家好，小科來為大家解答以上問題。電池容量計的一種實現(xiàn)方法這個很多人還不知道，現(xiàn)在讓我們一起來看看吧！

1、電池容量計的一種實現(xiàn)方法

2、本文介紹了一種測量電池容量的方法，即計算電池的充電能量和放電能量，并乘以相應(yīng)的損耗系數(shù)來表示電池容量。采用電流轉(zhuǎn)換后計數(shù)脈沖的方法，實現(xiàn)適合大多數(shù)充放電情況的電池容量測量。研究了實現(xiàn)該方法的技術(shù)途徑，并給出了具體的設(shè)計電路。樣機已投入試運行。

3、關(guān)鍵詞：充放電電池容量計。

4、一種實現(xiàn)電池電量計的方法

5、文摘：介紹了一種測量電池容量的方法，該方法計算充電能量和放電能量，然后將數(shù)據(jù)乘以損耗因子。最后，結(jié)果可以顯示容量。利用計數(shù)由電流變化而來的脈沖的技巧，因此該方法可用于測量各種電池按各種規(guī)則充電和放電的大多數(shù)情況下的電池容量。研究了實現(xiàn)該方法的技術(shù)路線，并對電路進行了詳細設(shè)計。如今這計價器已經(jīng)被很好地使用了。

6、關(guān)鍵詞：充放電庫侖電池容量計

7、1導言

8、隨著環(huán)保意識的不斷增強，世界各國都在競相開發(fā)環(huán)保汽車，也在投資開發(fā)電池驅(qū)動的電動汽車。電動汽車必不可少的儀表是電池容量表，它告訴用戶電池還剩多少容量，可以行駛多少公里，就像普通汽車的燃油表一樣。事實上，不僅電動汽車需要電池容量表，很多使用電池的場合也有迫切的要求。傳統(tǒng)的監(jiān)測電池的手段只是電壓表，但電壓并不能準確反映電池的容量，往往會導致電壓正常但沒有容量的現(xiàn)象。作為用戶，經(jīng)常會感到困惑，不知道電池能用多久，影響了很多關(guān)鍵場合的使用，容易出現(xiàn)誤判和事故。因此，開發(fā)一種反映電池容量的儀器是非常必要的。目前國外已經(jīng)生產(chǎn)了類似的產(chǎn)品，但由于技術(shù)保密，還沒有出臺實施辦法。

9、本文提出了一種基于電動汽車的電池容量測量儀，可以在一定條件下測量電池容量。它是基于計算電池的充電能量和放電能量，乘以相應(yīng)的損耗系數(shù)來表示電池容量的原理(該系數(shù)應(yīng)考慮電池的充電效率、放電電流等因素對電池容量的影響)。

10、2基本原則。

11、除了電池本身的一些因素外，電池的容量主要取決于充放電。顯然，如果電池的充放電可以一直記錄下來，就可以測出容量。我們設(shè)想在傳統(tǒng)的單體電池上配備這種稱為電池容量計的儀器，達到顯示容量的目的。容量計動態(tài)監(jiān)測電池的總充放電，計算后直觀顯示。影響電池容量的其他因素被整合到損耗系數(shù)中，損耗系數(shù)乘以充電和放電容量的算術(shù)和，以獲得剩余電池容量。由于電池的種類、尺寸和性能不一樣，損耗系數(shù)也不一樣，主要是通過實驗得到的，這里不討論系數(shù)問題，只研究測量電量的電路。

12、電池的充放電方式有很多，比如恒流、限壓、脈沖、負脈沖等。所以單純用電流乘以時間來測量容量不能適應(yīng)恒流之外的其他方式，積分方式不能滿足負脈沖充電的需要，同時需要時間參數(shù)，不是很適合。顯然，電池容量計的設(shè)計應(yīng)該滿足大多數(shù)充放電模式。無論哪種充電方式，影響電池容量的關(guān)鍵參數(shù)是電流和時間，負電流只存在于負脈沖充電的情況下。因此，我們設(shè)計了以下工作模式的電池容量表電路，原理框圖如圖1所示。

13、首先監(jiān)測電池的充放電電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后放大，送入電壓-頻率轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成頻率信號。最后送入計數(shù)器記錄脈沖數(shù)，并以一定方式顯示計數(shù)值，形成電池容量表。事實上，頻率代表電流，電流越高，頻率越高，同時記錄的脈沖越多，反之亦然。充放電時間也體現(xiàn)在脈沖的計數(shù)上，時間越長，計數(shù)次數(shù)越多。這樣，通過計數(shù)完成電池充放電容量的計算。

14、圖1電池容量計原理框圖。

15、絕對值放大器和可逆計數(shù)器的結(jié)合實現(xiàn)了充電時放電間隙的測量(即負脈沖充電)，同時用一套電路計算充放電方向。充電時向前計數(shù)，放電時向后計數(shù)(減)，通過電流流向控制可逆計數(shù)器的計數(shù)方向。

16、3方案論證及技術(shù)關(guān)鍵解決方案。

17、3.1電流采樣。

18、電流采樣的目的是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。一般有三種方式：

19、(1)采樣電阻；

　?。?）霍爾器件（包括互感器類）。

　　從電動車電池使用來看，電流較大，顯然使用取樣電阻并不合適，而分流器又太重且體積也較大，不太適用，故霍爾器件較為適用。其優(yōu)點是線性程度優(yōu)于0.1％，適于范圍較大的跟蹤，動態(tài)性能好，響應(yīng)時間小于1μs，這樣可即時跟蹤汽車起動的瞬時電流。另外，其尺寸小，重量輕適于在汽車上安裝。它的缺點是價格稍貴，但對于汽車上使用的電池價格來講完全可以忽略。由于選用可以購買到的成熟產(chǎn)品，電路較簡單不再列出。

3.2絕對值放大器

　　由于充放電電流方向不同，采用絕對值放大器，它將霍爾器件輸出的正負信號統(tǒng)一放大為正信號，然后送往壓頻轉(zhuǎn)換器。

　　絕對值放大器的設(shè)計方法較多，從電源上來看，有單電源、雙電源兩種方式，采用的運放個數(shù)有一個和多個。本機由于采用霍爾器件且為雙向電流，故單電源沒有優(yōu)點，而單運放的放大器，電阻取值太多，精度要求高，并且對負載亦應(yīng)考慮，不太適用。

　　本機采用由二運放構(gòu)成的絕對值放大器，選用低失調(diào)、低漂移的運算放大器0P－07，精度高且性能不受負載影響，這里苛求絕對值放大器的精度，不是為系統(tǒng)精度作貢獻，而是從另外一點考慮的。這就是前面提到的，就電池容量計而言，對電池監(jiān)測的最好辦法應(yīng)是同電池一體，始終監(jiān)視電池狀況。而這就要求電池沒有充放電流時，放大器的輸出為零，否則經(jīng)過長期擱置后，容量計由于放大器誤差的關(guān)系指示充滿或放光，產(chǎn)生誤判。以高精度、低失調(diào)、低漂移設(shè)計完成后的樣機，滿度誤差為1mv，零度誤差小于1mv。參見圖2。

圖2絕對值放大器原理圖

3.3壓頻轉(zhuǎn)換器

　　壓頻轉(zhuǎn)換器是電池容量計的核心部分，負責將放大的信號轉(zhuǎn)換為頻率信號，它的線性度和精度直接影響到整機。實現(xiàn)壓頻轉(zhuǎn)換的方法也有很多種。從形式上看，有分立元件和專用集成芯片兩種形式，一般的分立元件精度、體積、調(diào)整復雜程度均高于集成芯片，但其價格較低，而專用芯片在線性度、電壓穩(wěn)定度、精度等指標相對可接受的價格而言有所降低。我們考慮到體積和充放電全程跟蹤及性能價格比的問題，選擇了VFC32為電壓頻率轉(zhuǎn)換器件，該器件較好的線性度為全程跟蹤精度提供了保證，并以較少的元件使體積縮小，電路原理見圖3。

圖3壓頻轉(zhuǎn)換器原理圖

3.4可逆計數(shù)器

計數(shù)器部分全部采用CMOS電路，一是功耗低，這對依靠電池本身供電顯得極為重要；二是其電平與運放電平匹配，并使顯示范圍增大。見圖4。

圖4可逆計數(shù)器原理圖

　　采用了14級脈沖進位二進制計數(shù)器4020一片，4位可逆二進制計數(shù)器4516二片，構(gòu)成21級計數(shù)器。其中高7位計數(shù)器數(shù)值有效作為計數(shù)值并輸出，而低14位則僅用來計數(shù)并不用作輸出，且4020是單向計數(shù)，無減法功能。

　　此種設(shè)計有兩大優(yōu)點：

　?。?）4020是高集成度的計數(shù)器，可代替3片半4516來使用，這樣大大縮小了體積。

　?。?）當作加法時，4020可精確到最低位；作減法時，誤差為低十四位，但這個十四位也是一次性的最大誤差，無累加性，因為電路上采用了異步、同步計數(shù)混用的方法。當減去14個數(shù)（雖然4020是加），4020輸出異步脈沖4516減"1"，如同作真正減法一樣，而4020的數(shù)值是不能輸出的，這使得結(jié)果十分精確。

3.5控制電路

　　該部分包含有預置電路、防溢出電路、計數(shù)方向控制電路。

　　本樣機為適用范圍寬，在計數(shù)器的預置和控制電路上均增加了撥動開關(guān)，這樣可以通過撥動開關(guān)設(shè)置計數(shù)部分初值和終值，可達到檢測使用已知電池電容的目的，比較方便。

　　同時為防計數(shù)器雙向溢出，分別設(shè)置防溢出電路，使計數(shù)器計到零和滿值時均不再計數(shù)，以防錯誤。

　　通過對電流流向的比對，輸出脈沖控制可逆計數(shù)器的計數(shù)，構(gòu)成方向控制電路。

3.6顯示

　　顯示有數(shù)字式、指針式兩種方式。為保證直觀的顯示，同時盡可能沿用普通汽車的儀表，仍采用汽車上原有指示電池電壓的電壓表。而在電壓表上設(shè)置一個開關(guān)，通過它來切換電壓、容量的指示，這樣較為方便。

　　這需要將計數(shù)器的二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為電壓。顯然用D/A轉(zhuǎn)換是可以的，但電路復雜程度上升，成本也有所提高。故為了簡化電路我們僅借用D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)的思想，利用權(quán)電阻T形網(wǎng)絡(luò)將4516的7位數(shù)值變換成模擬量輸出，推動電壓表指示，見圖5。

圖5 顯示電路原理圖

3.7工作電源部分

　　電池容量計不同于其它儀器的是它只能使用電池作為電源，而由于電池電壓的變化及波動，直接使用顯然是不合適的，為此必須由電池引出產(chǎn)生二次電源。

　　首先霍爾器件需電源±12V，電路控制計數(shù)等部分也亦借用±12V，另外我們考慮到為了使容量指示更直觀清晰，其最大電壓范圍應(yīng)大些，同時也能充分利用其電壓表有效指示。其電壓表范圍為40V，而電池電壓最高為30V，故設(shè)定容量指示最大指示為28V，這就需要電源電壓為30V。

　　由于電池起動時有大電流放電，使電壓波動十分厲害，約15～30V，為適應(yīng)其變化，同時減小容量計自身功耗，提高效率，設(shè)計全部采用開關(guān)電源。

　　首先＋12V的獲得是采用LM2575降壓調(diào)整器，該芯片輸入電壓可達40V，固定振蕩頻率52kHz，電壓、電流調(diào)整率較好，適應(yīng)容量計的要求。

　?。?2V是利用＋12V為輸入，通過34063DC/DC變換器加以變換而成。這樣損失了部分功率。我們原設(shè)計用M2575HV（輸入電壓60V）由電池電壓直接引入，但由于60V的LM2575HV未能買到，只得作罷。將來如有批量，可定貨。好在－12V功率有限，損失較小。　　30V一組電源，其電壓高，電流小，如采用普通DC變換器如2575或其他器件，體積過大，且磁心元件等都大為浪費，得不償失。故我們在設(shè)計中一直在尋找簡潔的方法，最后經(jīng)試驗決定利用555振蕩器升壓并采用倍壓整流的方法將12V提升至30V，效果極好，見圖6。

4產(chǎn)品的設(shè)計與計算

4.1電壓/頻率關(guān)系的設(shè)定

　　電壓0～10V對應(yīng)頻率0～10kHz

圖6 30V電源原理圖

　　電流0～1000A對應(yīng)電壓0～10V

　　這幾個值的選取，綜合考慮了霍爾元件、放大器、F/V轉(zhuǎn)換設(shè)計的最佳值及試驗樣機的需要。

4.2計數(shù)位數(shù)

　　4020－14位4516兩片共8位，加起來為22位，僅采用21位，其計數(shù)個數(shù)為：

　　221=2.097152×106。

　　對10kHz的計數(shù)時間

T=(221×1/104)秒=3.49分。

　　當10kHz對應(yīng)1000A時，對45Ah電池來講

T=C/I=45/1000=0.045h=2.7分<3.49分 ，

可見計時已夠，滿度計時安時數(shù)為

(221×1/104)×1000/3600=58.25Ah。

4.3誤差的計算

　　前14級計數(shù)時間為△T=214，總計時為T=221,相對誤差△T/T=214/221=0.78％。

　　可見前14級誤差極小，尚不足1％，且其僅在做減法時一次性出現(xiàn)，可以忽略。故采用一片4020代替三片4516是合理的。

5性能測試結(jié)果

　　整機測試，條件為充放電流15A，電壓（代表容量）指示滿容量為28.002V，電池容量放盡后，電壓（代表容量）指示為0V，指示容量與實際容量誤差為3％，符合設(shè)計要求。

6結(jié)論

　　在輸出容量等于輸入容量乘以損失系數(shù)的模式下，本文以電動車為使用對象，對輸入取樣、絕對值放大、壓頻轉(zhuǎn)換、顯示及工作電源各部分作了深入細致的闡述，進行了非常有益的探索，是目前計量電池容量的有效方法之一，適用于無記憶效應(yīng)、性能相對穩(wěn)定的電池。

本文到此結(jié)束，希望對大家有所幫助。